Perusteet: yksipääteinen ja differentiaalinen signalointi

Ensinnäkin meidän on opittava perusasiat siitä, mitä yksipääteinen signalointi on, ennen kuin voimme käydä läpi differentiaalisen signaloinnin ja sen ominaisuudet.

Yksipäinen signalointi

Yksipäinen signalointi on yksinkertainen ja yleinen tapa lähettää sähköinen signaali lähettäjältä vastaanottimelle. Sähköinen signaali lähetetään jännitteellä (usein vaihtelevalla jännitteellä), joka viittaa kiinteään potentiaaliin, yleensä 0 V:n solmuun, jota kutsutaan "maaksi".

Yksi johdin kuljettaa signaalia ja yksi johdin yhteistä referenssipotentiaalia. Signaaliin liittyvä virta kulkee lähettäjältä vastaanottajalle ja palaa virtalähteeseen maadoitusliitännän kautta. Jos lähetetään useita signaaleja, piiri vaatii yhden johtimen jokaista signaalia kohden sekä yhden jaetun maadoitusliitännän; siten esimerkiksi 16 signaalia voidaan lähettää 17 johtimella.

 

Yksipäinen topologia

Differentiaalisignalointi

Differentiaalinen signalointi, joka on vähemmän yleistä kuin yksipäinen signalointi, käyttää kahta toisiaan täydentävää jännitesignaalia yhden informaatiosignaalin lähettämiseksi. Joten yksi informaatiosignaali vaatii johdinparin; yksi kuljettaa signaalia ja toinen käänteistä signaalia.

 

Yksipää vs. differentiaali: yleinen ajoituskaavio

 

Vastaanotin poimii informaatiota havaitsemalla potentiaalieron käänteisten ja ei-invertoitujen signaalien välillä. Nämä kaksi jännitesignaalia ovat "balansoituja", mikä tarkoittaa, että niillä on sama amplitudi ja vastakkainen polariteetti suhteessa yhteismuotoiseen jännitteeseen. Näihin jännitteisiin liittyvät paluuvirrat ovat myös tasapainotettuja ja kumoavat siten toisensa; tästä syystä voidaan sanoa, että differentiaalisignaaleilla on (ihannetapauksessa) nollavirta, joka kulkee maadoitusliitännän läpi.

Differentiaalisen signaloinnin yhteydessä lähettäjällä ja vastaanottajalla ei välttämättä ole yhteistä maaviittausta. Differentiaalisen signaloinnin käyttö ei kuitenkaan tarkoita, että maapotentiaalierot lähettimen ja vastaanottimen välillä eivät vaikuttaisi piirin toimintaan.

Jos lähetetään useita signaaleja, tarvitaan kaksi johdinta jokaista signaalia kohden, ja usein on välttämätöntä tai ainakin hyödyllistä sisällyttää maadoitus, vaikka kaikki signaalit olisivat differentiaalisia. Siten esimerkiksi 16 signaalin lähettäminen vaatisi 33 johdinta (verrattuna yksipäiseen lähetykseen 17). Tämä osoittaa differentiaalisen signaloinnin ilmeisen haitan.

 

Differentiaalinen signalointitopologia

Differentiaalisen signaloinnin edut

Differentiaalisella signaloinnilla on kuitenkin tärkeitä etuja, jotka voivat enemmän kuin kompensoida lisääntynyttä johtimien määrää.

Ei paluuvirtaa

Koska meillä ei ole (ihannetapauksessa) paluuvirtaa, maaviittauksesta tulee vähemmän tärkeä. Maapotentiaali voi jopa olla erilainen lähettäjässä ja vastaanottimessa tai liikkuessa tietyllä hyväksyttävällä alueella. Sinun on kuitenkin oltava varovainen, koska DC-kytketty differentiaalisignalointi (kuten USB, RS-485, CAN) vaatii yleensä jaetun maapotentiaalin, jotta signaalit pysyvät liitännän suurimman ja pienimmän sallitun yhteismoodijännitteen sisällä.

Kestää saapuvan EMI:n ja ylikuulumisen

Jos EMI (sähkömagneettinen häiriö) tai ylikuuluminen (eli lähellä olevien signaalien synnyttämä EMI) tuodaan differentiaalijohtimien ulkopuolelta, se lisätään yhtä paljon käänteiseen ja ei-invertoituun signaaliin. Vastaanotin reagoi näiden kahden signaalin väliseen jännite-eroon eikä yksipäiseen (eli maaviittausjännitteeseen), ja siten vastaanottimen piiristö vähentää suuresti häiriön tai ylikuulumisen amplitudia.

Tästä syystä differentiaalisignaalit ovat vähemmän herkkiä EMI:lle, ylikuulumiselle tai mille tahansa muulle kohinalle, joka kytkeytyy differentiaaliparin molempiin signaaleihin.

Lähtevän EMI:n ja ylikuulumisen vähentäminen

Nopeat siirtymät, kuten digitaalisten signaalien nousevat ja laskevat reunat, voivat tuottaa merkittäviä määriä EMI:tä. Sekä yksipäiset että differentiaaliset signaalit synnyttävät EMI:n, mutta kaksi differentiaaliparissa olevaa signaalia luovat sähkömagneettisia kenttiä, jotka ovat (ihanteellisesti) suuruudeltaan samansuuruisia, mutta päinvastaisia ​​napaisuudeltaan. Tämä yhdessä tekniikoiden kanssa, jotka ylläpitävät kahden johtimen läheistä läheisyyttä (kuten kierretyn parikaapelin käyttö), varmistaa, että kahden johtimen päästöt kumoavat suurelta osin toisensa.

Pienjännitekäyttö

Yksipäisten signaalien on säilytettävä suhteellisen korkea jännite riittävän signaali-kohinasuhteen (SNR) varmistamiseksi. Yleiset yksipäiset rajapinnan jännitteet ovat 3.3 V ja 5 V. Paremman häiriönkestävyyden ansiosta differentiaalisignaalit voivat käyttää alhaisempia jännitteitä ja silti ylläpitää riittävää SNR:ää. Myös differentiaalisen signaloinnin SNR kasvaa automaattisesti kertoimella kaksi verrattuna vastaavaan yksipäiseen toteutukseen, koska differentiaalivastaanottimen dynaaminen alue on kaksi kertaa niin korkea kuin jokaisen differentiaaliparin sisällä olevan signaalin dynaaminen alue.

Kyky siirtää tietoja onnistuneesti alhaisemmilla signaalijännitteillä tuo mukanaan muutamia tärkeitä etuja:

• Pienempiä syöttöjännitteitä voidaan käyttää.
• Pienemmät jännitesiirrot
  • vähentää säteilyä EMI:tä,
  • vähentää virrankulutusta ja
  • mahdollistaa korkeammat toimintataajuudet.

Korkea tai matala tila ja tarkka ajoitus

Oletko koskaan miettinyt, kuinka tarkalleen päätämme, onko signaali logiikan korkea- vai matala-tilassa? Yksipäisissä järjestelmissä on otettava huomioon tehonsyöttöjännite, vastaanotinpiirin kynnysominaisuudet, ehkä referenssijännitteen arvo. Ja tietysti on muunnelmia ja toleransseja, jotka tuovat lisää epävarmuutta logiikka korkea-tai-logiikka-matala -kysymykseen.

Differentiaalisignaaleissa loogisen tilan määrittäminen on yksinkertaisempaa. Jos ei-invertoidun signaalin jännite on suurempi kuin käänteisen signaalin jännite, sinulla on logiikka korkealla. Jos ei-invertoitu jännite on pienempi kuin käänteinen jännite, logiikka on alhainen. Ja siirtymä näiden kahden tilan välillä on piste, jossa ei-invertoidut ja käänteiset signaalit leikkaavat - eli jakopiste.

Tämä on yksi syy, miksi on tärkeää sovittaa yhteen differentiaalisia signaaleja kuljettavien johtojen pituudet: Parhaan ajoituksen tarkkuuden saavuttamiseksi haluat jakopisteen vastaavan täsmälleen loogista siirtymää, mutta kun parin kaksi johinta eivät ole samanarvoisia. pituus, etenemisviiveen ero aiheuttaa jakopisteen siirtymisen.

Sovellukset

Tällä hetkellä on monia liitäntästandardeja, jotka käyttävät differentiaalisignaaleja. Näitä ovat seuraavat:

• LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)
• CML (nykyisen tilan logiikka)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Laadukas tasapainotettu ääni

On selvää, että differentiaalisen signaloinnin teoreettiset edut on vahvistettu käytännön käytöllä lukemattomissa reaalimaailman sovelluksissa.

PCB-perustekniikat differentiaalijälkien reitittämiseen

Lopuksi opitaan perusasiat siitä, kuinka differentiaalijäljet ​​reititetään piirilevyille. Differentiaalisignaalien reititys voi olla hieman monimutkaista, mutta on olemassa joitakin perussääntöjä, jotka tekevät prosessista yksinkertaisemman.

Pituuden ja pituuden yhteensopivuus – pidä se tasa-arvoisena!

Differentiaalisignaalit ovat (ihannetapauksessa) samansuuruisia ja vastakkaisia ​​napaisuudeltaan. Siten ihannetapauksessa nettopaluuvirtaa ei kulje maan läpi. Tämä paluuvirran puuttuminen on hyvä asia, joten haluamme pitää kaiken mahdollisimman ideaalina, mikä tarkoittaa, että tarvitsemme saman pituisen differentiaaliparin kahdelle jäljelle.

Mitä korkeampi signaalisi nousu-/laskuaika (ei pidä sekoittaa signaalin taajuuteen), sitä enemmän sinun on varmistettava, että jäljet ​​ovat yhtä pitkiä. Asetteluohjelmasi saattaa sisältää ominaisuuden, joka auttaa sinua hienosäätämään differentiaaliparien jälkien pituuden. Jos sinulla on vaikeuksia saavuttaa yhtä pituutta, voit käyttää "meander"-tekniikkaa.

 

Esimerkki mutkikkaasta jäljestä

Leveys ja väli – pidä se vakiona!

Mitä lähempänä differentiaalijohtimet ovat, sitä parempi signaalien kytkentä on. Luotu EMI kumoutuu tehokkaammin ja vastaanotettu EMI kytkeytyy tasaisemmin molempiin signaaleihin. Yritä siis tuoda ne todella lähelle toisiaan.

Differentiaaliparijohtimet tulee reitittää mahdollisimman kauas viereisistä signaaleista häiriöiden välttämiseksi. Jälkien leveys ja väli tulee valita tavoiteimpedanssin mukaan, ja sen tulee pysyä vakiona jäljen koko pituuden ajan. Joten jos mahdollista, jälkien tulisi pysyä samansuuntaisina, kun ne kulkevat piirilevyn ympäri.

Impedanssi – Minimoi vaihtelut!

Yksi tärkeimmistä tehtävistä suunniteltaessa piirilevyä differentiaalisignaaleilla on selvittää sovelluksesi tavoiteimpedanssi ja asettaa sitten differentiaaliparit sen mukaisesti. Pidä myös impedanssin vaihtelut mahdollisimman pieninä.

Differentiaalilinjasi impedanssi riippuu sellaisista tekijöistä kuin radan leveys, jälkien kytkentä, kuparin paksuus ja piirilevyn materiaali ja kerros. Harkitse kaikkia näitä, kun yrität välttää kaikkea, mikä muuttaa differentiaaliparisi impedanssia.

Älä reititä nopeita signaaleja tasaisen kerroksen kuparialueiden välisen raon yli, koska tämä vaikuttaa myös impedanssiisi. Yritä välttää epäjatkuvuuksia maatasoissa.

Asettelusuositukset – lue, analysoi ja mieti niitä!

Ja viimeisenä mutta ei vähäisimpänä, on yksi erittäin tärkeä asia, joka sinun on tehtävä differentiaalijälkien reitittämisessä: Hanki datalehti ja/tai sovellushuomautukset differentiaalisignaalia lähettävästä tai vastaanottavasta sirusta, lue asettelusuositukset ja analysoi niitä tiiviisti. Tällä tavalla voit toteuttaa parhaan mahdollisen asettelun tietyn suunnittelun rajoissa.

Yhteenveto

Differentiaalisignaloinnin avulla voimme lähettää tietoa pienemmillä jännitteillä, hyvällä SNR:llä, parannetulla häiriönkestävyydellä ja suuremmilla datanopeuksilla. Toisaalta johtimien määrä kasvaa, ja järjestelmä tarvitsee erikoistuneita lähettimiä ja vastaanottimia tavallisten digitaalisten IC-piirien sijaan.

Nykyään differentiaalisignaalit ovat osa monia standardeja, mukaan lukien LVDS, USB, CAN, RS-485 ja Ethernet, ja siksi meidän kaikkien pitäisi olla (ainakin) perehtyneet tähän tekniikkaan. Jos suunnittelet piirilevyä differentiaalisignaaleilla, muista tutustua asiaankuuluviin tietolomakkeisiin ja sovellusten muistiinpanoihin ja lukea tämä artikkeli tarvittaessa uudelleen!

Jätä viesti 

viestiluettelo